嵌入式Linux通信中構件技術應用研究

考慮到TCP 協議是面向連接的、端對端的可靠通信協議，為保證遠程客戶端與本地嵌入式系統服務器的正確通信，采取了相應機制來保證它的可靠性和實時性，即連接的建立與關閉、超時重傳機制、數據包確認機制、流量控制等。因此，將TCP 協議按應用功能劃分成客戶端模塊和服務器端模塊，前者主動建立連接，后者*連接，連接建立后雙方進行數據信息的發送或接收。

相對于TCP 協議，ARP、IP、ICMP、UDP 等協議功能較簡單，對它們不劃分模塊，每個協議按其完成的功能設計成一個構件，但考慮到嵌入式系統的實時性，去掉了不必要的功能。UDP 協議設計時不考慮數據校驗方法，只考慮數據的發送和接收功能。ICMP 協議設計時僅考慮了目的端不可達、源端抑制、超時、改變路由等差錯和回送請求處理。IP 協議設計時主要進行路由、向相鄰協議層傳遞數據包，而不考慮分片、重裝功能。ARP 協議主要負責將局域網中的32 位IP 地址轉換為對應的網卡的MAC 地址，它的功能包括發送ARP 請求和響應對方的ARP 請求，動態維護一個ARP 高速緩存。

3.1.3 通信協議構件組裝

通信協議構件組裝過程如圖2 所示。通信協議構件放在構件庫中，系統運行時，嵌入式Linux 操作系統調度協議組裝模塊，由該模塊依據系統網絡功能需求從構件庫中取出相應構件，動態配置通信協議棧。

嵌入式Linux 操作系統

因此，組裝的主要功能是負責實現嵌入式Linux 操作系統和構件庫的交互、監控構件的運行狀況，并記錄構件的特征以反饋給構件庫。

3.2 通信協議構件化的實現本文借鑒文獻[5]的思想，并結合上面提出的方法來實現通信協議構件化。各協議的實現類似，下面以TCP 協議為例說明實現過程。

將協議棧初始化文件中為協議分配內核存儲空間、向內核保存TCP 協議棧的鏈表結構、注冊、協議本身初始化的內容移入其模塊中，在模塊開始部分完成分配存儲空間、注冊、初始化等，在模塊結束部分完成釋放模塊所占內核空間、取消注冊、進行重置等。

修改協議實現文件tcp.c 和tcp.h ，創建新的模塊文件，協議實現文件中僅保留被其它協議使用的變量，其它內容放在新建的模塊文件中。

協議提供給其它協議的函數接口，由函數名調用改為函數指針調用，修改頭文件，為該新的接口實現添加定義及聲明，并將函數指針初始化指向一個空函數體。將其它協議中原來通過函數名調用改為相應的函數指針調用，這些函數指針是該協議構件的接口，可以保持不變，而接口提供的功能可以依據需要隨時修改。

修改網絡部分的內核符號表文件，既包括修改之后為其它協議提供的接口，又包括模塊化之后需要的其它協議提供的接口。

修改Makeflie 文件，增加相應的模塊化文件列表。

4 通信協議測試

構件化的協議的運行情況在MagicARM2200 目標板上進行測試，測試前需要配置軟硬

件環境，配置過程如下：用串口線和簡易仿真器連接PC 機和目標板，使用兩條獨立的網線分別將它們連接到以太網;在PC 機上安裝虛擬機5.5 和Red Hat Linux 9 ，將經過實時改進和裁剪的Linux 移植到該目標板。

4.1 測試ARP 協議構件

在內核無ARP 協議支持時，為了顯示ARP 緩存中的MAC、IP 地址信息，運行arp -a 命令，結果為空，并且其它網絡應用都不能工作，整個系統的網絡部分由于該底層協議的失效而癱瘓。將ARP 協議構件用insmod 命令裝入后，網絡部分恢復正常。

4.2 測試ICMP 協議構件

在內核不加載ICMP 協議構件時，從外界ping 主機，ping 命令顯示超時，即ping 不通。內核接收及處理傳來的ICMP 數據包的函數接口找不到相應的功能實現，不能正常返回確認消息包。在將ICMP 協議構件用insmod 命令裝入后，處理數據包的函數正確執行，顯示能夠ping 通。響應時間如表1 所示。

從表1 可以看出，當ICMP 協議作為模塊被加載后，ping 命令的響應時間比該協議編譯進內核的長，增長的幅度為(0.668-0.611)/0.611=0.093 ，性能下降不超過1%。而且，從內核啟動速度來看，構件化ICMP 協議的結果，由于構件化的內核在網絡部分啟動過程中沒有初始化ICMP 協議部分，啟動速度略有提高。

4.3 測試UDP 協議構件

為了便于觀察系統性能的變化，本文采用Linux 網絡性能測試軟件Netperf 對UDP 協議構件進行測試，主要測試UDP 的批量數據傳輸性能、請求和響應性能。測試結果如表2 所示。

從表2 可以看出，協議構件化之后的網絡性能有損失，其數據傳輸性能的下降幅度為(l55.2-140.3)/155.2=0.096 ，請求/響應性能的下降幅度為(620.1-*.9)/620.1=0.025 ，它們都低于一個數量級。

4.4 測試TCP 協議構件

在目標板和PC 機之間進行測試，PC 機作為客戶端，目標板作為服務器，并編寫客戶端和服務器測試程序。在內核不加載TCP 協議構件時，運行客戶端程序，PC 機提示不能和服務器連接;加載TCP 協議構件后，再次運行客戶端程序，觀察PC 機，顯示連接成功，在目標板上鍵入字符，在PC 機上可以顯示接收到的字符。

從上面的測試結果可知，對Linux 下的TCP/IP 構件化后，盡管系統性能會略有損失，但損失不大，用此較小的代價可以換取升級、維護的成本大大降低、新協議開發時間大大縮短，從而說明構件化協議的可行性和優越性，在實際應用中可以認為是一種有效的方法。

5 結論

本文針對嵌入式服務器的網絡實時通信的應用，將構件技術引入Linux 的TCP/IP 協議設計中，提出了一種構件化TCP/IP 協議棧中主要協議的方法，并對構件化的協議進行測試，結果表明構件化的協議可以動態載入實時改進和裁剪的Linux 系統，不僅減少了嵌入式Linux 內核的尺寸，而且增強了系統網絡通信協議設計的靈活性。